基于fpga的fir滤波器设计与实现毕业论文模板_机电工程学院_本部(编辑修改稿)

基于fpga的fir滤波器设计与实现毕业论文模板_机电工程学院_本部(编辑修改稿)内容摘要：

和高并行度结构的 FIR 滤波器的实现，相对于串行运算主导的通用 DSP 芯片来说，并行性和可扩 2 展性都更好。 由于在性能、成本、灵活性和功耗等方面的优势 ,基于 FPGA 的数字信号处理器已广泛应用于图像、视频和无线通信领域。 信号处理 技术国内外发展 现状 数字信号处理可以采用两种方法实现：软件实现和硬件实现。 软件实现是在通用计算机上执行数字信号处理程序。 这种方法灵活，但实现方法较慢，一般不能实时处理，主要用于教学和科研。 国内外的研究机构、公司己 经推出了不同语言的信号处理软件包。 硬件主要采用 MCU(单片机 )、 DSP(数字信号处理器 )和 ASIC(专用集成电路 )来实现．其中，单片机速度较慢； ASIC 虽然性能良好。 但通常是为专门限定的某一或某几个特定功能而漫计，灵活性差；软件编程的通用数字信号处理 Digital Signal Processor)芯片 (如TMS320CXX)是目前应用较广的一种方法。 DSP 处理器实质上是一种适用于数字信号处理的单片微处理器，其主要特点是灵活性大，适应性强，具有可编程功能，且处理速度较高。 我国在 DSP 技术起步较早，产品的 研究开发成绩斐然，基本上与国外同步发展，而在 FPGA(Field Programmable Gate Array)方面起步较晚。 全国有 100 来所高等院校从事DSPamp。 FPGA 的教学和科研，除了一部分 DSP 芯片需要从国外进口外，在信号处理理论和算法方面。 与国外处于同等水平．而在 FPGA 信号处理和系统方面，有了喜人的进展。 FPGA 是一种将门阵列的通用结构与 PLD 的现场可编程特性结合于一体的新型器件，具有集成度高、通用性好、设计灵活、产品上市快捷等多方面的优点．鉴于 FPGA 是特定用途的集成电路，因此 FPGA 通常被 认为是一种可编程的专用集成电路。 FPGA 最早由美国 Xilinx公司于 1985 年推出，其典型产品如 XC4000 和 XC5000 系列均采用 CMOS SRAM工艺制造，可重复编程，并能实现芯片功能的动态重构。 FPGA 在问世的前十年里，其单片可用门数以年平均 42％的速率增长，现己超过 100 万门。 正如 DSP 芯片在 20 年前出现时的情形一样，如今 FPGA 正处于革命性的数字信号处理技术的前沿。 过去，前端的数字信号处理算法如 FFT，都是利用定制 ASIC 或者 DSP 芯片构建的，但现在大多数可以用FPGA 所替代。 现在的 FPGA 不仅提 供了上百万门的可编程逻辑单元，还专门为实现数字信号处理算法提供了阵列乘法器、片内双口 RAM 以及应用于嵌入式领域的硬核 PowerPC处理单元。 FPGA 与 DSP 芯片相比，最明显的优势在于其实现数字信号处理算法的并行性。 DSP芯片一般只有几个算术逻辑单元 （ ALU)和乘法单元，实现一个数字信号处理算法一般只能时分复用址刖和乘法单元。 这种按照时间顺序执行的实现方式大大限制了数据的吞吐量。 而 FPGA 具有大量的可编程逻辑单元，丰富的布线资源和灵活的结构，支持任何层次的并行处理，可以在性能与设计规模之间取得最佳的平衡。 FPGA 在实现有些数字信号处理算法的性能上高于业界最快的 DSP 芯片。 随着电子技术的发展，高速超大规模的现场可编程门阵列的出现，采用硬件描述语言HDL的 FPGA具有更为灵活的可编程逻辑特性。 目前，已经生产出集成度高达上千万门片的FPGA，其内部时钟速度可达数 百 兆，功耗低、芯片价格低、开发成本低、可 在 线编 程 、便于 嵌入式系统设计等优点，使其正处 于 数字 信号 处理技术领域革命性的前沿。 是当前 电子工程师广泛使用的一种 芯片， 本论文 正 是利 用 FPGA的优越性，研究基 于 FPGA的 FIR数字滤波器的设计。 本文主要研究内容及 工作安排 本文首先对 FPGA 的发展现状进行了简单的介绍，又阐述了关于数字滤波技术的发展前景。 紧接着对数字滤波器原理进行了分析，学习和研究了 FIR 数字滤波器的性能指标和 3 设计方法，对不同的设计方案进行了分析比较。 最后采用了在 ise 开发环境下用硬件描述语言对滤波器进行了设计与仿真，基本完成低通、带通、高通 FIR 滤波器的设计。 本文共分五章，具体安排如下： 第一章绪论。 介绍了论文研究的背景及意义、数字滤波器的实现方法、 FIR 数字滤波器的基本结构。 第二章 FPGA 技术简介。 介绍了 FPGA 设计流程和设计原则。 第三 章 FIR 数字滤波器的算法研究。 介绍了线性相位 FIR 数字滤波器的传统 设计方法和 FPGA 设计方法。 第四章多速率滤波器。 探讨了 FPGA 技术在多速率滤波器设计中的应用， 主要是理论方面。 第五章设计仿真及验证。 结合具体例程，对 FIR 滤波器的 FPGA 实现进行 了硬件语言实现，并仿真通过。 结束与展望。 总结了全文的主要工作，对下一步的研究进行了展望。 4 2FIR 数字滤波器的介绍及设计方法 .1 数字滤波器设计概述 滤波原理 滤波器，顾名思义，就是对输入信号起到滤波的作用的系统。 图 线性移不变系统 这里的“波”指的是一定波长或频率的信号，因此， 所谓滤波，通常是指通过某种变换或运算，用以改变输入信号中所含频率分量的相对比例，以达到 将某些频率成分的信号滤除而保留下另一些频率成分的信号 的目的。 若滤波器的输入、输出都是离散的，则系统（滤波器）的冲激响应也是离散的，这样的滤波器器就称之为数字滤波器 （ digital filter）。 一 个输入序列 x(n)，通过一个单位 冲 激 响应为 h(n)的线性时不变系统后，其输出响应y(n)为 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )ny n x n h n h m x n m      （ ） 将上式两边经过傅里叶变换，可得 ( ) ( ) ( )Y j X j H j   （ ） 式中， Y(jω )、 X(jω )分别为输出序列和输入序列的频谱函数， H(jω )是系统的频率响应函数。 可以看出，输入序列的频谱 X(jω )经过滤波后，变为 X(jω )H(jω )。 如果 |H(jω )|的值在某些频率上是比较小的，则输 入信号中的这些频率分量在输出信号中将被抑制掉。 因此，只要按照输入信号频谱的特点和处理信号的目的，适当选择 H(jω )，使得滤波后的 X(jω )H(jω )符合人们的要求，这就是数字滤波器的滤波原理。 如图 所示 ，具有图 (a)的频率成分的信号通过具有图 (b)的幅频响应的系统（滤波器）后，输出信号就只有 ||c 的频率成分，而不再含有 ||c 的频率成分。 0 ω c 2π |X(jω )| |H(jω )| 0 ω c 2π 0 ω c 2π |Y(jω )| 滤波器 5 （ a）输入信号频谱 （ b）系统（滤波器）的幅频响应 （ c）输出信号的频谱 图 滤波器滤波示意图 数字滤波器是对数字信号实现滤波的线性时不变系统。 它将输入的数字序列通过特定运算转变为输出的数字序列。 因此， 数字滤波器本质上是一台完成特定运算的数字计算机。 数字滤波器通常采用有限精度算法，它可以按照某种算法编写软件，在计算机或专用数字信号处理（ DSP）芯片上实现，也可以按照算法选用硬件实现。 数字滤波器是数字信号处理的重要基础， 在对信号的过滤、检测与参数的估计等处理中 , 数字滤波器是使用最广泛的线性系统。 与模拟滤波器相比，数字滤波器具有精度高、稳定性好、灵活性大、体积小且没有苛刻的匹配要求等优点。 随着计算机、超大规模集成电路技术的发展，数字滤 波器的应用愈加广泛。 滤波器的分类 与模拟滤波器类似，数字滤波器按频率特性也有四种，即 低通。